Effects of Well Temperature on Wellhead Fatigue Assessment

Abstract

Summary Construction and later re-entering of subsea wells require the use of a tubular component called riser to connect the rig to the wellhead. The motions of the rig and of the riser itself, which are created by the sea state excitement, are transferred all the way down to the wellhead, thus subjecting the latter for wear and in worst cases fatigue failure. Fatigue failure of the wellhead has been deemed as a major concern for oil companies. Operators in the Norwegian continental shelf and Det Norske Veritas (DNVGL) have cooperated in a Joint Industry Project (JIP) to improve the methodology used for modelling and estimating wellhead fatigue damage during the life cycle of a well. The ongoing work has resulted in several research papers, as well as a Recommended Practice (RP) issued by DNVGL. This doctoral thesis contributes to the available research work by investigating how temperature will impact on wellhead fatigue. This has not been investigated in the past. The circulation of fluids in the well during drilling and other operations influences how temperature develops on casings strings, cement sheaths and surrounding rock formations. Because the surface casing and the conductor strings are integral components of the wellhead, their temperature distributions can influence the mechanical response of the wellhead system, not only by induced thermal expansion and contraction but also by altering how the mechanical load is shared within the wellhead. The fatigue assessment methodology presented by the JIP employs 3D models to simulate the mechanical response of the wellhead when subject to loading and from that it estimates the stress at the points of the equipment most at risk for failing by fatigue, so called fatigue hot spots. The JIP’s methodology assumes that the relation between applied load and resulting stresses remains constant for as long as the structural configuration of the wellhead is not altered. However, this doctoral research makes a case for that when the temperature profiles of the well are added to the 3D mechanical simulations, the relation between load and stress at the fatigue hot spots can be considerably changed. Furthermore, the load-stress relation could continue to change during operations as a result of the induced changes of temperature in the well. Therefore, the current wellhead fatigue assessment methodology is at risk for miscalculating the damage undergone by the equipment and it could benefit from a moreaccurate representation of the mechanical response of the wellhead. For the most susceptible hot spots, the transient temperature of the typical drilling scenario modelled in the study resulted in fatigue estimates 10 to 20% lower than what a conventional analysis would indicate. The thermal strain of tubular components has been investigated in an attempt to expand and generalize results for a wider range of temperature profiles in the well, thus enabling to identify under which thermal conditions the different wellhead fatigue hot spots would be more at risk for failing. As a complementary effort for assessing wellhead fatigue, the research work has also addressed possible solutions for reducing fatigue. Therefore, the merits of anchoring the Blowout Preventer, and thus reducing the loading transferred to the wellhead, was investigated and discussed as a feasible solution. This alternative would require planning and costly marine operations, but the results of the analyses indicate that this approach has the potential to more than double the service life of a well.

Sammendrag Konstruksjon og senere tilgang til brønnhodet i undervannbrønner krever bruk av et såkalt stigerør for å forbinde riggen til brønnhodet. Riggen og stigerørets bevegelser, som skapes av bølger og strømning, overføres ned til brønnhodet, slik at dette utsettes for slitasje og i verst fall utmattingsbrudd. Utmattingsbrudd i brønnhodet er kritisk og bekymring for oljeselskapene. Operatører på den norske kontinentalsokkelen og Det Norske Veritas (DNVGL) har samarbeidet om et Joint Industry Project (JIP) for å forbedre metoden som brukes for å modellere og anslå utmattingsskader i brønnhodet over brønnens levetid. Arbeidet har ført til flere forskningsartikler, i tillegg til en anbefalt framgangsmåte - Recommended Practice (RP) utarbeidet av DNVGL. Denne doktorgradsoppgaven bidrar ved å undersøke hvordan temperatur påvirker utmatting av brønnhodet. Dette har ikke vært undersøkt tidligere. Sirkulasjonen av væsker i brønnen under boring og andre operasjoner påvirker temperatur på fôringsrør, sement og omkringliggende formasjoner. Siden lederøret og forankringsrøret er vesentlige komponenter i brønnhodet, kan temperaturdistribusjonen på fôringsrørene påvirke den mekaniske responsen på brønnhodet, ikke bare ved å føre til termisk ekspansjon og sammentrekning, men også ved å endre hvordan den mekaniske belastningen fordeles i brønnhodet. Metoden for å vurdere utmatting av brønnhodet, som ble presenterte av JIP prosjektet, bruker 3D modeller for å simulere den mekaniske responsen i brønnhodet utfra påført belastning. Deretter beregnes spenningen i punkter i brønnhodet som er mest utsatt for utmattingsbrudd, såkalte «hot-spots». Metoden antar forholdet mellom påført belastning og resulterende spenning forblir konstant så lenge den strukturelle konfigurasjonen til brønnhodet ikke endres. Mitt doktorgradsarbeid argumenterer derimot at når brønnens temperatureprofil tas med i de mekaniske 3D simuleringene, kan forholdet mellom belastning og spenning ved «hot-spots» endres betraktelig. Dessuten kan spenningsrelasjonen fortsette å endres i løpet av operasjonene som et resultat av temperaturendring i brønnen. Den nye metoden, som tar temperatur i betraktning, beregner utmatting i brønnhodet på en mer nøyaktig måte. For «hot-spots» som blir mest påvirket av temperatur, utmatting resultatene til simulasjonene var 10 til 20 % lavere enn det den konvensjonelle metoden ville forutsi. Den termiske deformasjonen av fôringsrør ble undersøkt i et forsøk på å utvide og generalisere resultater for et bredere spekter av temperatureprofiler i brønnen for å identifisere under hvilke termisk betingelser brønnhodet vil være mer utsatt for utmattingsbrudd i «hot-spots». Som et komplementært bidrag for å vurdere utmattingsskade i brønnhodet, har doktorgradsarbeidet også adressert mulige tiltak for å øke utmattingskapasiteten. Ved hjelp av forankringslinjer mellom utblåsningssikringen (BOP) og havbunnen kan utmattingskapasiteten øke betraktelig. Dette krever planleggingsarbeid og til dels kostbare marine operasjoner, men resultatene av analysene indikerer at tiltaket har potensialet til å doble brønnens levetid.